Capitolo 3 Lo standard VHF aeronautico per le comunicazioni vocali

Lo standard VHF aeronautico per le

comunicazioni vocali

3.1. Bande di frequenze utilizzate nelle trasmissioni aeronautiche

Le trasmissioni radio in campo aeronautico possono essere classificate in due tipi: comunicazioni dati adibite alla navigazione aerea e comunicazioni vocali. Per quanto riguarda le prime, i sistemi di navigazione si sono sviluppati lungo quattro direttrici diverse [10]:

• Automatic Direction Finder (ADF);

• VHF Omnidirectional Range (VOR);

• Instrument Landing System (ILS);

• Distance Measuring Equipment (DME).

Automatic Direction Finder

I sistemi ADF ricevono i segnali provenienti dai radiofari e sono utilizzati per la traccia delle rotte notturne dei velivoli. Queste trasmissioni riguardano le bande radio a bassa e media frequenza, rispettivamente LF e MF e sono utilizzate su distanze medio/lunghe come sistemi di supporto ad altri sistemi di navigazione, soprattutto il VOR, per le loro buone caratteristiche di copertura.

Questi sistemi non vengono quasi mai utilizzati da soli perché hanno una scarsa precisione e risentono molto delle condizioni meteorologiche avverse.

VHF Omnidirectional Range

Il sistema VOR, a differenza del precedente, è un sistema poco sensibile alle interferenze meteorologiche e assicura ottime prestazioni di navigazione. Infatti opera nella banda radio delle frequenze molto alte, ovvero VHF, dove le caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche sono ideali per le comunicazioni a breve distanza. A differenza di quanto succede nei sistemi ADF, che operano con frequenze più basse, la ionosfera non riflette le onde radio VHF per cui la propagazione avviene in linea ottica rendendo questo sistema particolarmente idoneo alla navigazione.

Più precisamente, il VOR opera nella banda di frequenze che va da 88 a 108 Mhz e viene utilizzato per verificare la rotta che il velivolo sta tracciando. Infatti consente al pilota di introdurre, negli apparati di bordo, una radiale con origine nel velivolo e con un angolo desiderato rispetto al nord magnetico. Un indicatore di deviazione di rotta indica l’ammontare dell’angolo di cui il velivolo devia dalla rotta specificata.

Instrument Landing System

Il sistema ILS è un insieme di apparati usati per guidare gli aeromobili nella fase di avvicinamento all'inizio della pista e durante l'atterraggio. Questo sistema è indispensabile nello svolgimento delle operazioni in bassa visibilità, soprattutto in presenza di nebbia, consentendo di portare a termine atterraggi con una visibilità orizzontale ridotta anche a meno di 100 metri.

Il sistema ILS è costituito da installazioni situate sia a terra che a bordo del velivolo e consiste in un localizzatore per la guida laterale (Localizer), un sentiero di discesa per la guida verticale (Glide Slope) e una serie di radiosegnalatori verticali per i segnali distanziali. Come il sistema VOR, anche questo opera nella banda radio

delle frequenze VHF e più precisamente nelle bande da 108 a 111 Mhz e da 328 a 335 Mhz.

Distance Measuring Equipment

Il DME viene utilizzato a bordo degli aeromobili ed è un apparato che misura la distanza obliqua, detta Slat Range, rispetto ad una stazione VOR di terra, in base al tempo di propagazione di un segnale radio nella banda delle frequenze ultra alte, ovvero UHF. Il sistema DME può essere associato sia ai sistemi VOR che ILS.

Quando poi è diventato operativo il sistema Global Positioning System (GPS), che lavora sopra il Ghz, l’utilizzo dei sistemi sopra descritti è cambiato notevolmente, sia durante la navigazione che in fase di atterraggio.

Per quanto riguarda invece le trasmissioni radio per le comunicazioni vocali tra i velivoli e tra la stazione di terra e il velivolo, la banda di frequenze che è stata assegnata, tramite accordi internazionali, è quella compresa fra 118 e 137 Mhz.

3.2. Cenni storici e ripartizione delle frequenze

La banda VHF, che va da 118 a 137 Mhz, è quella che è stata assegnata alle comunicazioni vocali [11]. Questa è composta da un certo numero di canali, che dipende dalla spaziatura, imposta da accordi internazionali, esistente tra un canale e l’altro ed ad ogni canale corrisponde una conversazione vocale. La spaziatura tra i canali VHF è obbligatoria per tutte le frequenze ad eccezione di quella di emergenza (121.5 Mhz), che è spaziata dalle frequenze immediatamente vicine di 100 Khz, al fine di evitare da esse interferenze e disturbi.

La spaziatura tra i canali e anche la dimensione dell’intera banda hanno subito nel tempo delle variazioni che hanno permesso un incremento del numero dei canali disponibili. Infatti, prima del 1950, la spaziatura tra i canali era pari a 200 Khz e la banda era compresa tra 118 e 132 Mhz per un totale di 70 canali.

Alla fine degli anni ’50, la spaziatura fu ridotta a 100 Khz e la banda estesa fino a 136 Mhz per un totale di 180 canali disponibili. Negli anni seguenti la spaziatura è passata a 50, 25 e infine, nel 1995, come ultimo step, a 8,33 Khz; mentre la larghezza di banda totale incrementò ancora di un Mhz passando nel 1990 a 137 Mhz. Attualmente i canali disponibili sono 2280.

118 – 121,3 Riservate al Servizio Mobile Aeronautico 121,5 Emergenza 121,7 – 121,975 Riservate alle comunicazioni aeroportuali di superficie 122 – 123,5 Riservate al Servizio Mobile Aeronautico 123,1 Ausiliaria SAR 123,15 – 136,975 Riservate al Servizio Mobile Aeronautico

Tab. 3.1 – Funzionalità delle frequenze nella banda 118-137 Mhz

In Europa la ripartizione delle frequenze viene stabilita dall’European Frequency Coordinating Body dell’ICAO (International Civil Aviation Organization), un ente dipendente dall’European Air Navigation Group; il testo base per la ripartizione è l’Annex 10 Aeronautical Telecommunication che è diviso in cinque volumi. Il primo riguarda i sistemi di radionavigazione, accennati nel sottocapitolo 3.1, il secondo le procedure di comunicazione, il terzo i sistemi di comunicazione digitale e vocale, il quarto i sistemi di sorveglianza radar e infine l’ultimo tratta dell’impiego dello spettro delle radiofrequenze aeronautiche e della procedura con la

quale le frequenze disponibili devono essere assegnate nelle varie regioni di volo. Una sintesi, ricavata dal quinto volume, delle funzionalità riservate alle varie frequenze è riportata nella Tab. 3.1.

Per stabilire una procedura con la quale assegnare le frequenze, l’ICAO ha diviso in vari gruppi la banda di frequenze che va da 118 a 137 Mhz, con delle modalità di spaziatura diverse da gruppo a gruppo e ad ognuno di essi ha dato una lettera corrispondente. Per esempio, il gruppo A contiene una sequenza di frequenze spaziate tra loro di 100 Khz e che vanno da 118 a 131,9 Mhz, il gruppo B interessa una banda di frequenze che va da 118,05 a 131,95 Mhz spaziate tra loro di 50 Khz e il gruppo E ne contiene una sequenza spaziate tra loro ancora di 50 Khz ma che parte da 118,025 e arriva fino a 131,975 Mhz. In questo modo, per quanto riguarda la vecchia canalizzazione a 25 Khz, mettendo insieme questi tre gruppi, sono state considerate tutte le frequenze nella banda da 118 a 131,975 Mhz ma, essendo state divise in tali gruppi, rendono l’assegnazione più efficiente. Infatti, le prime frequenze che vengono assegnate sono quelle che fanno parte del gruppo A, che sono 106 e sono spaziate tra loro di 100 Khz, quindi un’interferenza tra i canali adiacenti praticamente nulla visto la grande distanza in termini frequenzali. Quando poi, quella particolare regione di volo necessita di un numero di canali superiore, allora vengono assegnate le frequenze del gruppo B rendendo disponibili più canali ma anche una distanza tra di essi minore e quindi maggiore interferenza. E così via, man mano che le esigenze operative aumentano, vengono assegnati sempre più gruppi di frequenze fino all’esaurimento di tutti i canali disponibili.

3.3. Il passaggio dalla canalizzazione a 25 Khz a quella a 8,33 Khz

Come già accennato sopra, prima del 1995, la banda di frequenze tra 118 e 137 Mhz era formata da 760 canali spaziati tra loro di 25 Khz. Ciò che ha spinto l’ICAO ha proporre una nuova spaziatura tra i canali è stato il notevole aumento, negli anni precedenti al ’95, del traffico aereo in Europa e negli Stati Uniti con la

conseguente necessità di aumentare le capacità di gestione del traffico aereo. Questo ha portato all’esigenza di apportare dei miglioramenti a livello operativo, come la risettorizzazione dello spazio aereo, che a sua volta ha comportato la richiesta di assegnazione di nuove frequenze VHF. A causa però della difficoltà di soddisfare tale richiesta nella banda 118-137 Mhz e tenuto conto dei limiti di effettuare un riutilizzo delle frequenze, l’ICAO decise di ridurre la spaziatura tra i canali da 25 a 8,33 Khz. Fortunatamente, la crescente qualità dei ricetrasmettitori VHF poteva permettere questa diminuzione di spaziatura senza compromettere l’intelligibilità delle comunicazioni vocali [12].

Quindi il consiglio dell’ICAO ha approvato, il 30 gennaio del 1998, un emendamento che obbliga, a partire dal 7 ottobre del 1999, ai velivoli che vogliono attraversare la regione di volo sopra l’Europa (EUR) al di sopra del livello di volo 245 (FL 245)1 di essere equipaggiati con apparati radio che permettano di selezionare canali VHF separati di 8,33 Khz.

Fig. 3.1 – Il Piano di Volo [11]

1 _{Lo spazio aereo viene diviso in varie regioni di volo che hanno dei limiti sia territoriali, come la}

regione EUR, sia altimetrici mediante l’individuazione dei livelli di volo, che si differenziano tra loro proprio in base alla loro quota. Ad esempio, FL 245 significa 24.500 piedi.

L’ICAO ha affidato ad EUROCONTROL2 le procedure d’implementazione, quelle operative e le immancabili eccezioni riguardanti l’emendamento approvato. Il controllo dell’applicazione di questa nuova direttiva avviene a monte dello svolgimento del volo, infatti in sede di compilazione del Piano di Volo3, il pilota deve dichiarare di essere in grado o meno di poter comunicare sui nuovi canali inserendo la lettera Y nel campo 10 del modello FPL visibile in Fig. 3.1. L’assenza di questa indicazione equivale alla mancanza di apparati idonei ed esclude automaticamente quel volo al di sopra dell’ FL 245 della regione EUR.

Fig. 3.2 – I paesi facente parte dell’EUR [11]

2 _{EUROCONTROL è un’organizzazione civile e militare a cui partecipano 38 stati europei e che ha il}

compito di sviluppare e mantenere un efficiente sistema di controllo del traffico aereo a livello europeo, affiancando le autorità nazionali dell’aviazione civile, gli enti di controllo del traffico aereo, gli utenti dello spazio aereo civile e militare, il settore industriale e le competenti istituzioni europee.

3 _{Il Piano di Volo è il mezzo con il quale si rendono note agli enti competenti tutte le informazioni}

relative al volo che deve essere svolto così da metterli in condizione di fornire tutti i servizi della circolazione aerea richiesti e necessari.

Le immancabili eccezioni sopra annunciate, riguardano il fatto che la maggior parte dei paesi facente parte dell’EUR, tra cui l’Italia, hanno aderito all’emendamento dell’ICAO in ritardo. Questi paesi sono rappresentati, di colore verde, in Fig. 3.2, mentre in azzurro sono rappresentati i paesi che hanno applicato l’emendamento secondo i tempi stabiliti e in giallo quelli dove non è stata prevista nessuna applicazione delle direttive di EUROCONTROL.

Infatti, fino all’ottobre del 2002, i paesi in verde avevano la possibilità di utilizzare aeromobili non equipaggiati con apparati ad 8,33 Khz purchè operassero all’interno dei confini nazionali o anche negli altri stati che avevano aderito in ritardo all’emendamento. Questo fatto doveva essere evidenziato nel Piano di Volo e più precisamente nella casella 18 (Other Information) del modello FPL, inserendo la stringa STS/EXM833, come si può vedere dalla Fig. 3.1.

Proprio quando tutti i velivoli europei, che effettuavano voli al di sopra dell’FL 245, erano stati equipaggiati con gli apparati a 8,33 Khz, cioè nel 2002, l’ICAO, tenuto conto del previsto aumento della domanda di frequenze VHF, decise di procedere all’introduzione della nuova spaziatura tra i canali anche al di sotto del livello di volo precedente ma sempre sopra l’FL 195, con il termine fissato, senza nessuna eccezione, alla fine del 2007, dando sempre l’incarico ad EUROCONTROL di gestirne l’attuazione. Infatti, il 26 ottobre del 2007 è stato pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale della Comunità Europea il Regolamento della Commissione che stabilisce le prescrizioni relative alla spaziatura tra i canali per le comunicazioni vocali bordo-terra per il cielo unico europeo ed è obbligatorio in tutti i suoi elementi e direttamente applicabile in ciascuno degli Stati membri [13].

Nel Regolamento vengono spiegate le motivazioni del passaggio dai 25 agli 8,33 Khz descritte sopra e viene anche annunciato che l’introduzione della nuova spaziatura al di sopra del livello di volo 195 è da considerarsi semplicemente come una prima tappa che sarà sicuramente riesaminata successivamente perché, nei prossimi anni, il traffico aereo continuerà ad aumentare con la conseguente domanda

di altre frequenze VHF. Nel passaggio da una canalizzazione all’altra è stato inoltre fondamentale che gli apparati con spaziatura di 8,33 Khz, di terra e di bordo, rispettassero certe prescrizioni minime comuni che assicurassero l’interoperabilità tra i nuovi e i vecchi sistemi senza nessuna discontinuità.

3.3.1 Una nuova proposta: 8,33 Khz sotto il livello di volo 195

L’EUROCONTROL, in seguito a varie valutazioni, ha annunciato che, entro la fine del decennio, in Europa, è probabile che solo circa il 70% del fabbisogno futuro di frequenze VHF potrà essere soddisfatto e addirittura, nella zona centrale dell’Europa, dove è presente la maggior quantità di voli, la situazione è ancora peggiore perché la quantità di frequenze disponibili oggi copriranno solo il 20% di quelle richieste. La mancanza di queste frequenze crea un’inefficienza dell’intera rete e impedisce che questa aumenti la sua capacità di gestione del traffico aereo. Infatti le simulazioni effettuate da EUROCONTROL hanno dimostrato che, nel 2020, con un notevole aumento previsto del traffico aereo, il livello medio di ritardo causato da un’insufficiente capacità del sistema potrebbe essere quattro volte più alto di quello attuale e arrivare perfino ad essere sette volte maggiore nel 2025.

Per questo EUROCONTROL ha già proposto un piano di attuazione che prevede il passaggio di tutti i velivoli e le stazioni base di terra alla canalizzazione a 8,33 Khz anche sotto il livello di volo 195 entro il 31 dicembre del 2018. Anche se il problema della capacità del sistema non sarà pienamente risolto con questa proposta, almeno consentirà allo spazio aereo di poter essere ridimensionato e un probabile risparmio nel costo della gestione della rete pari a tre miliardi di euro. Infatti, il costo di implementazione di questo piano sarebbe equivalente al 12% dei risparmi ottenuti entro il 2025.

Il programma dell’EUROCONTROL prevede una transizione molto graduata, suddivisibile in una fase intermedia e una fase finale, che risulterebbe fattibile e senza rischi per tutte le parti interessate. Infatti la scadenza della fase intermedia sarebbe

prevista per il 31 dicembre del 2014, mentre quella finale per il 31 dicembre del 2018, rendendo quindi disponibili, da oggi, ben sette anni per effettuare tutte le transizioni dagli apparati a 25 a quelli a 8,33 Khz. Le modalità di transizione per questo nuovo piano devono ancora essere ben definite [12].

3.4. Canalizzazione

Con la spaziatura dei canali a 25 Khz, i canali disponibili nell’intera banda da 118 a 137 Mhz erano 760; con la nuova spaziatura sono diventati 2280, il triplo dei precedenti. Infatti, nel passaggio da una canalizzazione all’altra, affinché ci fosse compatibilità tra i nuovi apparati e quelli vecchi, l’ICAO ha deciso di lasciare inalterati i canali precedenti, non modificandone quindi le frequenze portanti e decidendo invece di aggiungere, tra un vecchio canale e l’altro, due nuovi canali spaziati tra loro di 8,33 Khz. Più precisamente, la spazio di 25 Khz, esistente tra due vecchi canali, è stato ripartito in tre parti: quelle all’estremità sono larghe 8,3 Khz e quella centrale 8,4 Khz; in questo modo la loro somma risulta esattamente pari a 25 Khz.

FREQUENZA DEL CANALE (Mhz) MODALITÀ NUMERO DEL CANALE 118,0000 25 Khz 32.01 118,0000 8,33 Khz 32.06 118,0083 8,33 Khz 32.07 118,0167 8,33 Khz 32.08 118,0250 8,33 Khz 32.09 118,0250 25 Khz 32.10 118,0333 8,33 Khz 32.15 118,0417 8,33 Khz 32.16 118,0500 8,33 Khz 32.17 118,0500 25 Khz 32.18 118,0583 8,33 Khz 32.23 118,0667 8,33 Khz 32.24 118,0750 8,33 Khz 32.25 118,0750 25 Khz 32.26 118,0833 8,33 Khz 32.31 118,0917 8,33 Khz 32.32 118,1000 25 Khz 32.33 118,1000 8,33 Khz 32.38

Di conseguenza, nella nuova canalizzazione, a differenza di quanto succedeva precedentemente, le frequenze portanti dei canali non sono tutte distanti uguali: le nuove portanti introdotte che sono vicine alla frequenza portante del canale a 25 Khz, distano da esso di 8,3 Khz, mentre la distanza tra le due portanti tra un vecchio canale e l’altro risulta pari a 8,4 Khz. Inoltre, come risulta ovvio, è stata ridotta anche la larghezza di ogni canale audio, da 25 a 8,33 Khz.

In Fig. 3.3 è riportato, come esempio, il canale intorno alla frequenza portante di 132,05 Mhz, vecchia portante della canalizzazione a 25 Khz, rappresentato da una striscia verde e in rosso, i tre canali da questo ottenuti con la nuova canalizzazione. Uno rimane intorno alla vecchia portante e gli altri due centrati nelle due portanti ottenute secondo la regola descritta sopra.

Sempre per garantire l’interoperabilità delle due canalizzazioni, differenziando la nuova da quella precedente, viene utilizzata una mappatura tra la frequenza portante del canale e il suo numero. La prima parte di essa è riportata nella Tab. 3.2. Da qui in poi la mappatura si ripete in modo periodico (le ultime due righe fanno già parte del nuovo periodo) permettendone una non difficile costruzione tramite software. I numeri di canale non sono consecutivi perché quelli che mancano nella tabella sopra servono per indicare un uso dei canali a 25 Khz con un TDMA a quattro slot; infatti dopo ogni vecchio canale vengono saltati sempre quattro numeri, che corrispondono proprio agli slot del TDMA [14].

3.5. Specifiche del segnale

Le specifiche del segnale trasmesso sono [15]:

• Modulazione di ampiezza (AM) DSB (Double Side Band) con la trasmissione di tutta la potenza della portante;

• Profondità di modulazione pari all’85%;

• Filtro di selezione del canale a frequenza intermedia con le caratteristiche riportate nella Tab. 3.3 per la canalizzazione a 8,33 Khz

e per quella a 25 Khz. I valori di frequenza sono calcolati come scostamenti rispetto alla frequenza centrale.

FREQUENZA (Khz) per 8,33 Khz FREQUENZA (Khz) per 25 Khz ATTENUAZIONE IN dB 2,5 5 2 3,5 8 6 4 9,25 26 5,8 13,25 90